广域电磁法探测技术在采空区探测中的应用.pdf

d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-3 5 8 X.2 0 2 2.0 1.0 0 5广域电磁法探测技术在采空区探测中的应用李传海,闫忠明(山东大学 龙山校区(创新港)规划建设办公室,山东 济南 2 5 0 0 1 4)摘要:广域电磁法是一种人工场源电磁勘测新方式,为了探究广域电磁勘察方法在城市复杂电磁干扰环境下能否准确判定煤矿采空区位置及范围,文中运用广域电磁法进行煤矿采空区勘察并与实际资料进行对比。得出结论:广域电磁法抗电磁干扰能力强,能准确探测出城市中煤矿采空区。关键词:广域电磁法;煤矿采空区;广域视电阻率;电磁干扰中图分类号:T D 1 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-3 5 8 X(2 0 2 2)0 1-0 0 1 7-0 4A p p l i c a t i o no fw i d ea r e ae l e c t r o m a g n e t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y i ng o a fd e t e c t i o nL iC h u a n h a i,Y a nZ h o n g m i n g(S h a n d o n gU n i v e r s i t y,L o n g s h a nC a mp u s(C h u a n g x i nP o r t)P l a n n i n ga n dC o n s t r u c t i o nO f f i c e,J i n a n2 5 0 0 1 4,C h i n a)A b s t r a c t:W i d e a r e a e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o dw a s an e ww a yo f t h e a r t i f i c i a l f i e l ds o u r c e e l e c t r o m a g n e t i c s u r-v e y.I no r d e rt oe x p l o r ew h e t h e rt h ew i d ea r e ae l e c t r o m a g n e t i cs u r v e ym e t h o dc o u l dd e t e r m i n ea c c u r a t e l yt h e l o c a t i o na n ds c o p eo f t h e c o a lm i n eg o a f i nu r b a nc o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e e n v i r o n m e n t,t h ew i d ea r e a e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o dw a su s e d f o r t h e c o a lm i n eg o a f s u r v e ya n dc o m p a r e dw i t h t h e a c t u a l d a t a.I tw a sc o n c l u d e dt h a t t h ew i d ea r e ae l e c t r o m a g n e t i cm e t h o dh a ds t r o n ga n t i e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea-b i l i t ya n dc o u l dd e t e c t a c c u r a t e l yt h ec o a lm i n eg o a f s i nt h ec i t y.K e yw o r d s:w i d ea r e ae l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d;c o a lm i n eg o a f;w i d ea r e aa p p a r e n t r e s i s t i v i t y;e l e c t r o m a g-n e t i c i n t e r f e r e n c e引用格式:李传海,闫忠明.广域电磁法探测技术在采空区探测中的应用J.矿山测量,2 0 2 2,5 0(1):1 7-2 0.随着城市发展的需要、城市人口的增多,城市占地迅速扩大,致使大部分煤矿资源型城市需要在煤矿采空区上进行建设。由于城市运转的需要,在城市范围内存在大量电磁干扰信号,例如高压输电线、大型用电设备、大型变电场所、密集的民用电管路,导致各频段都存在影响电磁探测方法的信号,从而引出何种电磁勘察方法能在城市复杂电磁干扰环境下准确高效的勘察出煤矿采空区分布的问题。广域电磁法相较于其他电磁勘察方法,由于场源配合算法的不同,从原理上具有抗电磁干扰能力,从而选择广域电磁法进行城市中煤矿采空区勘察1-3。1 广域电磁法探测技术原理广域电磁法汲取了多种电磁探测方法的优点,如“可控源音频大地电磁法(C S AMT)”运用人工场源作为信号源的方式,排除了大地天然场源随机性且信号 差 的 缺 点,也 借 鉴 了“磁 偶 源 频 率 测 探 法(ME L O S)”测量非远区的方式,避免了广域电磁法在远区信号微弱的缺点,而且转变了磁偶源频率测探法的后处理方式,将计算过程中的高次项保存1。广域电磁法的优势在于:第一,通过对均匀的大地表面水平电偶极源E x的转化与推导确定了固定的“广域视电阻率”公式,不需要进行人为的校正,提高了探测精度,在任何波区内都可以进行测量,理论上不受波区的限制,大大增加了测量范围,在观测过程中只需观测电磁场的一个分量;第二,简化观测流程,秩序通过对电磁场的E x分量进行测量就可进行数据处理,缩短了观测时间,提高了工作效率4。71第5 0卷第1期2 0 2 2年2月 矿 山 测 量M I N ES UR V E Y I N G V o l.5 0N o.1F e b.2 0 2 2同时,广域电磁法将信号发射形式调整为2n序列伪随机信号模式,能够同时接收和发送n个强度基本相等的不同频率的信号,在增强了抗干扰能力的同时提高了设备的效率,并且由于操作简单,缩减了技术人员,降低了工作成本5-6。2 工程概况研究区位于城郊区域,属于山前平原,局部分布剥蚀残丘,地形平坦,地势南高北低,地貌类型单一。区内原有厂房、村庄已基本搬迁,旧村庄也已平整。根据地质采矿资料以及往期勘察资料,研究区内主要开采三层煤层,开采区域标高-1 7 7-7 2 5m,采厚0.51.5 1m,倾角在1 0 左右。开采方法采用走向长臂后退式采煤方法。回采方式为高档普采,村庄下压煤、承压水体上采用条带开采和穿采,回采工作面采用单体支柱配合铰接顶梁支护,全部陷落法管理顶板。研究区具有采深大、采厚小、开采面积大和重叠开采部分开采方式复杂等问题,对地面建(构)筑物存在安全隐患。研究区内有大型变电站一座,2 2万k VA输电线2条、1 0万k VA输电线2条、1万k VA输电线1条,移动通讯线若干。研究工作拟利用广域电磁法对测区内采空区的情况域进行探测,查明采空区平面分布情况。3 工作方法3.1 测线布置工作区共2 3条测线,测线编号分别为12 3,均为东西向布置,测线间距1 0 0 m,全区共布置测点4 8 5个,剖面线总长度1 89 6 0m。2 3条测线覆盖矿区主要开采区。本次测地工作测量点4 8 5个,质检点1 5个,质检率3.0 9%,检查点的分布相对均匀,如表1所示。表1 测地点质检率统计表线号测地总点数/个质检点数/个质检率/%12 114.7 622 114.7 632 114.7 642 114.7 652 114.7 662 114.7 672 114.7 682 114.7 692 114.7 61 02 114.7 61 14 312.3 21 24 312.3 21 34 312.3 21 44 312.3 21 54 312.3 2 广域电磁仪能够测量的各个频率分布及数据显示间隔时间如表2所示。表2 广域电磁法数据采集频组频组频率/H z时间/s1 181 9 240 9 620 4 810 2 45 1 22 5 61 2 681 071 6 835 8 417 9 28 9 64 4 82 2 41 1 28961 4 430 7 215 3 67 6 83 8 41 9 29 68851 2 025 6 012 8 06 4 03 2 01 6 08 0876 43 21 684213 265 62 81 477/27/47/83 254 82 41 2633/23/43 244 02 01 055/25/45/83 2311/21/41/81/1 61/3 21/6 42 5 627/87/1 67/3 27/6 47/1 2 87/2 5 67/5 1 22 5 613/43/83/1 63/3 23/6 43/1 2 83/2 5 62 5 605/85/1 65/3 25/6 45/1 2 85/2 5 65/5 1 22 5 6 研究区野外采集接收频组为:4、5、6、7、8、9、1 0、1 1,累计5 6个频点数据采集,测量选取频率范围为0.6 2 581 9 2H z,由于研究区探测重点区域为中深部为主,故测量频率选择也以中、高频为主。3.2 数据采集(1)数据采集的所有测点的有效频点个数为5 681第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月个,每排列最短测量用时为2.1h,最长测量用时为3.3 6h。(2)通过对采集的数据初步处理,绘制了每个测点相应的视电阻率参数曲线,如图1所示,采集的数据质量情况良好,数据描述如下:测点曲线形态变化流畅,连续程度高,离散小,曲线形状清楚,无突出歪曲现象。每一测点低频段(1、3频段)测量时间充裕,最少叠加次数6次,完全满足设计要求,能充分反映地下各电性标志层。(3)对于X Y模式的频率-视电阻率曲线进行质量评价,曲线形态明显、流畅,无3个不连续测点,接续性好、误差小,为级品点。(4)级点主要是因为城镇、矿山、高压线及地形干扰等因素造成的。上:级点原始数据曲线图;下:级点原始数据曲线图图1 级点和级点对比图4 采空区广域电磁法探测原理当煤层未被破坏时,煤作为一种连续介质存在于地层之中,地层为完整的一体,按沉积年代分为各个层次,在一定范围内同一区域的地层视电阻率差异基本相同,会均匀变化。一般情况下,当煤层被破坏后,煤层顶底板之间形成了一定的空洞或空隙,破坏了岩层的连续性和完整性,当采空区空洞或空隙存在地下水时,其原有的物理特性将会改变,导致视电阻率明显下降,采空区表现为低视电阻性,且采空区空洞或空隙含水量越丰富,视电阻率变化越突出。所以,局部表现出明显低视电阻性即可判断为采空区7-1 0。5 成果解释本文选用测线2作为代表进行说明,图2所示为广域2线3煤采空区解释剖面图。平面上测线2位于研究区西南部。视电阻率剖面图电性特征总体呈低阻-中低阻-中阻-高阻特点,与研究区地层岩性电性规律相符。剖面上,在标高范围-2 4 0-3 0 0m,黑色虚线区域视电阻率值异于围岩,表现为异常低值,结合已知地质资料,推测此层段为富水层段,采空区充水表现为低阻异常,解释为煤层采空区。通过与实际资料对比分析表明,现场复杂电磁环境对广域电磁法影响较小,在现场条件下广域电磁法能准确判断采空区层位、范围,达到煤矿采空区勘察要求,满足勘察质量要求。91第1期 李传海等:广域电磁法探测技术在采空区探测中的应用 2 0 2 2年2月图2 广域2线3煤采空区剖面解释图6 结 论(1)通过实际资料验证,广域电磁法根据采空区广域视电阻率与完整地层基岩的广域视电阻率差异性原则,可准确判断出煤矿采空区的层位、范围,可作为煤矿采空区探测方式之一。(2)在城市复杂电磁干扰环境下,广域电磁法在勘察及后处理过程中受影响程度小,仍然能在干扰下准确判断出煤矿采空区的层位、范围,表明广域电磁法在城市复杂电磁干扰环境下可对煤矿采空区进行探测。(3)在特定测量方式下,为达到某一探测深度,广域电磁法所需供电电流较大,对现场施工提出了更高要求。参考文献:1 何继善.广域电磁测深法研究J.中南大学学报(自然科学版),2 0 1 0,4 1(3):1 0 6 5-1 0 7 2.2 郑滨.煤矿采空区综合探测技术研究D.徐州:中国矿业大学,2 0 1 9.3 蒋奇云.广域电磁测深仪关键技术研究D.长沙:中南大学,2 0 1 0.4 何继善.广域电磁法理论及应用研究的新进展J.物探与化探,2 0 2 0,4 4(5):9 8 5-9 9 0.5 符超,袁博,李学兰,等.广域电磁法在保靖页岩气勘探中的应用J.工程地球物理学报,2 0 1 6,1 3(4):4 1 6-4 2 2.6 李帝铨,王光杰,底青云,等.基于遗传算法的C S AMT最小构造反 演 J.地 球 物 理 学 报,2 0 0 8(4):1 2 3 4-1 2 4 5.7 许广春.广域电磁法在深埋隧道勘察中的应用研究J.铁道工程学报,2 0 2 0,3 7(2):1-5,1 6.8 李帝铨,胡艳芳.强干扰矿区中广域电磁法与C S AMT探测效果对比J.物探与化探,2 0 1 5,3 9(5):9 6 7-9 7 2.9 鲍力知.广域电磁法的主要特点J.贵州地质,2 0 1 3,3 0(1):9-1 3.1 0 何继善,佟铁钢,柳建新.an序列伪随机多频信号数学分析及实现J.中南大学学报(自然科学版),2 0 0 9,4 0(6):1 6 6 6-1 6 7 1.作者简介:李传海(1 9 7 4-),男,山东巨野人,工程硕士,高级工程师,现从事高校基本建设管理工作。(收稿日期:2 0 2 1-1 2-0 1)(上接第1 2页)1 1 张俊英.采空区地表建筑地基稳定性模糊综合评价方法J.北京科技大学学报,2 0 0 9,3 1(1 1):1 3 6 8-1 3 7 2.1 2 滕永海,张俊英.老采空区地基稳定性评价J.煤炭学报,1 9 9 7(5):5 8-6 2.1 3 张永波.老采空区建筑地基稳定性及其变形破坏规律的研究D.太原:太原理工大学,2 0 0 5.1 4 张俊英,李文,杨俊哲,等.神东矿区房采采空区安全隐患评估与治理技术J.煤炭科学技术,2 0 1 4,4 2(1 0):1 4-1 9.1 5 李学良,李树志,李凤明.采动地基注浆加固治理技术研究J.金属矿山,2 0 1 1(1 1):3 3-3 6.作者简介:殷磊(1 9 8 3-),男,辽宁阜新人,硕士,高级工程师,研究方向为采煤塌陷区治理及建筑工程设计。(收稿日期:2 0 2 2-0 1-2 0)02第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月